近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心和化學物理系曾杰教授團隊提出了一種巰基苯甲酸配體修飾提升催化劑電化學合成氨性能的策略。相關成果以“Thiol Ligand-Modified Au for Highly Efficient Electroreduction of Nitrate to Ammonia”為題發表在以精準為導向的高質量期刊Precision Chemistry上，并入選當期封面。中國科學技術大學化學院2020級本科生吳宇桁為文章的第一作者，曾杰教授、耿志剛教授、劉彥特任副研究員為通訊作者。

氨作為最基本的化工產品之一，在工農業領域有著重要應用。目前工業上合成氨的主要采用哈伯法，需要高溫（400-500℃）、高壓（150-300 bar）的極端反應條件，不僅消耗大量能源，同時也排放大量二氧化碳，使得全球的能源問題和環境問題日益嚴重。利用硝酸根作為氮源電化學合成氨是一種清潔環保的合成氨方法，同時有助于含硝污水的處理。目前已有研究工作報道了貴金屬催化劑對于硝酸根電還原具有較高催化活性，然而貴金屬本身對含氮中間體的吸附較弱，因此需要對催化中心的電子結構進行有效調控，從而增強貴金屬催化劑的本征活性。

基于此，研究人員通過配體修飾的方式，采用鄰、間、對三種巰基苯甲酸同分異構體修飾在金納米顆粒表面，實現了高效硝酸鹽電還原合成氨。研究人員首先通過液相還原法得到了納米級尺寸的金溶膠，并負載在碳黑上（pristine Au/C），然后將巰基苯甲酸分子錨定在金/碳催化劑表面，得到的催化劑分別用ortho-Au/C、meta-Au/C和para-Au/C表示。實驗結果表明，不同取代基位置的巰基苯甲酸配體與金催化劑之間的相互作用強弱不同，從而影響了催化劑表面的電子結構。其中，para-Au/C在-1.0 V vs. RHE的電位下有效電流密度達到472.2 mA cm^-2，法拉第效率高達98.7%，最高產氨速率為39.7 mg h^-1cm^-2，是pristine Au/C的1.7倍。機理研究表明巰基苯甲酸配體修飾后的金催化劑表面對硝酸根的吸附更強，促進了硝酸根還原動力學，從而提升了產氨性能。

圖1. 巰基苯甲酸修飾的金納米催化劑用于硝酸根電催化還原到氨

該項研究得到了國家重點研發計劃、中科院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃項目、國家杰出青年科學基金等項目的支持。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/epdf/10.1021/prechem.3c00107

（合肥微尺度物質科學國家研究中心、化學與材料科學學院、科研部）